Ottica quantistica: differenze tra le versioni

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Versione delle 11:49, 21 dic 2015 modifica 79.45.162.20 (discussione) →Concetti chiave e quadro generale dell'ottica quantistica ← Differenza precedente		Versione attuale delle 16:37, 23 ago 2024 modifica annulla Spinwaves (discussione \| contributi) 19 modifiche mNessun oggetto della modifica Etichetta: Modifica visuale
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Riga 1: ~~{{F\|ottica\|settembre 2010\|commento=}}~~ {{S\|ottica\|meccanica quantistica}} L’L{{'}}'''ottica quantistica''' è una branca della [[fisica]] che studia le proprietà della luce, e l'interazione della [[luce]] con la [[materia (fisica)\|materia]], dal punto di vista della [[meccanica quantistica]]. == Storia ~~dell'ottica quantistica~~ == La storia dell'ottica quantistica, come ovvio, inizia con la avvenuta formulazione del quadro concettuale quanto-meccanico del XX secolo. Volendo trovare un esperimento base dell'ottica quantistica, possiamo richiamare il celebre [[Esperimento della doppia fenditura\|esperimento di Young della doppia fenditura]] per l'[[interferenza (fisica)\|interferenza]] della luce, che sarà la prova cruciale per la dimostrazione dell'aspetto ondulatorio dell'[[elettrone]] e quindi della materia. In realtà lo studio dell'ottica quantistica avrà grande sviluppo a partire dagli anni '60 del XX secolo, che grazie alla nascita del [[laser]], potrà essere possibile utilizzare e massimizzare una serie di proprietà quanto-meccaniche proprie nel fascio laser. Lo studio dell'ottica quantistica porterà inevitabilmente allo studio dei [[Sistema non lineare\|fenomeni non lineari]] per interazione radiazione-materia. Fin dall’antichità i filosofi si sono interrogati sulla natura della luce. Già nel corso del medioevo l’umanità aveva posto le basi per la comprensione della propagazione dei raggi di luce andando a definire i fondamenti dell'[[ottica geometrica]]<ref name=Zubairy2016 > Zubairy, M.S. (2016). A Very Brief History of Light. In: Al-Amri, M., El-Gomati, M., Zubairy, M. (eds) Optics in Our Time. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-31903-2_1</ref>. ~~== Concetti chiave e quadro generale dell'ottica quantistica ==~~ Lo studio dell'ottica quantistica, volendo seguire un percorso concettuale, che renda conto sia di una mappa concettuale che di un percorso di sviluppo storico, si può riassumere dicendo che esso parte dallo studio della interazione radiazione materia, applicando il formalismo quanto- meccanico, trattando della quantizzazione di oscillatore armonico e di atomo a due livelli per trattare poi il concetto di coerenza spaziale e temporale, emissioni spontanee e assorbimenti ed emissioni stimolate e degli stati coerenti e complessi chiamati squeezed. Nello studio dell'ottica quantistica entrano però anche le cosiddette equazioni di Maxwell-Bloch, la spettroscopia coerente, lo studio delle cavità laser e la dinamica dei laser, la stessa statistica quantistica (operatore densità, condensazione di Bose-Einstein in gas atomico, sistemi di spin 1/2) ed infine i processi di fotorivelazione di statisca fotonica di interferenza quantica e stati mesoscopici ( Entanglement, teletrasporto e informazione quantica). Dallo studio dell'ottica quantistica è nata una area di studio ampia che riguarda l'[[ottica non lineare]]. A partire dal [[XVII secolo]], si andò ad affermare un importante dibattito sulla natura della luce, il quale vedeva contrapposti da una parte i sostenitori della natura corpuscolare e dall’altra i sostenitori della natura ondulatoria<ref name=Zubairy2016 />. ~~== Concetti dell'ottica quantistica ==~~ Nel corso del [[XIX secolo]], i progressi tecnologici permisero di realizzare una serie di esperimenti che portarono abbondanti prove sulla validità della teoria ondulatoria. Inoltre, soprattutto grazie al lavoro teorico di [[James Clerk Maxwell]], si arrivò alla formulazione di una teoria unificata dell’elettromagnetismo in grado di fornire un quadro teorico complessivo dei fenomeni ottici, dimostrando come la luce fosse essenzialmente un'onda del campo elettromagnetico<ref name=Zubairy2016 />. Secondo la [[meccanica quantistica]], la luce può essere considerata non solo come un'[[onda elettromagnetica]], ma anche come un flusso di particelle, dette [[fotoni]], che viaggiano alla [[velocità della luce]] nel vuoto (solitamente indicata con ''c''). Tuttavia, nei primissimi anni del novecento, le osservazioni sperimentali sulla [[radiazione di corpo nero]] e sull’[[effetto fotoelettrico]] misero in discussione la teoria ottocentesca dell’elettromagnetismo<ref name=Zubairy2016 />. Queste particelle non possono essere considerate come oggetti classici (l'immagine usuale è quella delle palle da biliardo), ma come oggetti quantistici descritti da una [[funzione d'onda]] estesa su una regione finita di spazio. Ogni particella ha un'energia pari a <math>\frac{hc}{\lambda}</math>, dove <math>\lambda</math> è la lunghezza d'onda della luce ed ''h'' è la [[costante di Planck]]. L'ipotesi della [[quantizzazione]] dell'energia della luce (in realtà di tutta la [[radiazione elettromagnetica]]), avanzata da [[Max Planck\|Planck]] nel [[1899]] e la scoperta della validità di tale assunto, attraverso la spiegazione dell'[[effetto fotoelettrico]] da parte di [[Albert Einstein\|Einstein]] nel [[1905]] sono le basi dell'ottica quantistica ed hanno portato rapidamente a speculare sulla possibilità di realizzare una [[inversione di popolazione]], e della conseguente realizzazione di [[laser]] e [[maser]]. Già nel 1900, Planck sostenne che gli scambi di energia nei fenomeni di emissione delle radiazioni elettromagnetiche non avvengono in forma continua ma in forma discreta, attraverso lo scambio di quanti di energia. Questa intuizione, insieme all'introduzione del concetto di [[fotone]] da parte di Einstein, furono la svolta fondamentale che segnò il superamento della teoria classica dell’elettromagnetismo e la nascita di un percorso scientifico che portò, nei decenni successivi, alla formulazione della teoria della meccanica quantistica<ref name=Zubairy2016 />. Questo uso della [[meccanica statistica]] è la base della maggior parte dei concetti dell'ottica quantistica: la luce (radiazione elettromagnetica) è descritta in termini di operatori di campo quantistici per la creazione e distruzione di fotoni, utilizzando quindi gli strumenti della [[elettrodinamica quantistica]]. Si può pertanto affermare che la natura quantistica della luce fu studiata fin dagli albori della [[meccanica quantistica]]. Tuttavia, fino agli anni 60 del novecento, le ricerche che vedevano coinvolta la natura quantistica della luce riguardavano principalmente l’interazione tra la radiazione e la materia e tendevano ad essere classificate nell’ambito della [[fisica atomica]]. Fu solo con l’introduzione dei primi laser e la scoperta che la luce potesse essere studiata in termini di proprietà statistiche dei fotoni che si diffuse l’uso del termine ottica quantistica per indicare una particolare sottodisciplina della meccanica quantistica<ref name=Zubairy2016 /><ref name=Garry2004 > Christopher Gerry and Peter Knight . Introductory Quantum Optics. Cambridge University Press,(2004) </ref>. Nella seconda metà del novecento, lo sviluppo congiunto di nuove sorgenti di luce e di nuovi [[rivelatori di fotoni]] darà un notevole impulso alle ricerche sperimentali in questo campo. Una svolta significativa si ebbe con la scoperta delle correlazioni non-classiche associate al fenomeno della [[conversione parametrica]] che divennero uno strumento fondamentale per le ricerche sperimentali nell'ambito dell'ottica quantistica<ref name=Garry2004/>. Nel ventunesimo secolo l’ottica quantistica è una disciplina che da un lato risulta essere strettamente legata alle ricerche sui fondamenti della meccanica quantistica, dall’altro lato è alla base dello sviluppo delle emergenti tecnologie quantistiche quali la [[computazione quantistica]]<ref> Jeremy L. O'Brien ,Optical Quantum Computing.Science318,1567-1570(2007).DOI:10.1126/science.1142892</ref>, la [[crittografia quantistica]]<ref>Lo, HK., Curty, M. & Tamaki, K. Secure quantum key distribution. Nature Photon 8, 595–604 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.149</ref> ed il [[quantum sensing]]<ref>Pirandola, S., Bardhan, B.R., Gehring, T. et al. Advances in photonic quantum sensing. Nature Photon 12, 724–733 (2018). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0301-6</ref>. == Descrizione == Alla base dell'ottica quantistica vi è il concetto di [[quantizzazione del campo elettromagnetico]] e la trattazione della luce, e dell'interazione tra luce e materia, all'interno quadro teorico della [[meccanica quantistica]] e della [[teoria quantistica dei campi]]<ref> Marlan Scully e Muhammad Suhail Zubairy, Quantum Optics, Cambridge University Press, 1997 </ref>. Essenzialmente, nell'ambito dell'ottica quantistica, la luce è descritta in termini di [[quanti]] del campo elettromagnetico, cosiddetti [[fotoni]], i quali costituiscono le particelle elementari della luce<ref name=Sutter > What are photons?, Paul Sutter, published 10 March 2022, https://www.livescience.com/what-are-photons </ref>. Si può pertanto affermare che un fascio di luce assuma sia gli aspetti di un'onda sia gli aspetti di un flusso di particelle in accordo con il principio del [[dualismo onda particella]]<ref name=Sutter />. == Note == <references/> == Bibliografia == * {{Cita libro\|titolo=Quantum Optics\|nome=Marlan\|cognome=Scully\|nome2=Muhammad Suhail\|cognome2=Zubairy\|anno=1997\|editore=Cambridge University Press}} * {{Cita libro\|titolo=Introduction to Quantum Optics\|autore=Gilbert Grynberg\|autore2=Alain Aspect\|autore3=Claude Fabre\|anno=2010\|editore=Cambridge University Press}} * {{Cita libro\|titolo=Quantum Optics: An Introduction\|autore=Mark Fox\|anno=2006\|editore=Oxford University Press}} * {{Cita libro\|titolo=Getting Started in Quantum Optics\|autore=Ray Lapierre\|anno=2022\|editore=Springer}} * {{Cita libro\|titolo=Quantum Optics for Engineers\|autore=F. J. Duarte\|anno=2013\|editore=CRC Press}} == Voci correlate == * [[Meccanica quantistica]] * [[Quantizzazione del campo elettromagnetico]] [[Fotonica]]▼ [[~~Superradianza~~Fotone]] ▲* [[Fotonica]] * [[Rivelatore di singoli fotoni]] * [[Paradosso EPR]] * [[Disuguaglianze di Bell]] * [[Entanglement quantistico\|Entanglement]] * [[Crittografia quantistica]] * [[Computer quantistico]] == Altri progetti == Line 28 ⟶ 51: == Collegamenti esterni == * {{~~Thesaurus~~Collegamenti ~~BNCF~~esterni}} {{Meccanica quantistica}} {{Controllo di autorità}} {{portale\|fisica}} [[Categoria:Ottica quantistica\| ]] [[Categoria:Meccanica quantistica]]